Verdunstungsbeete im urbanen Kontext

Starkregenereignisse können durch ein naturnahes dezentrales Regenwassermanagement gepuffert werden. Zusätzlich wird den Pflanzen Wasser zur Verfügung gestellt und anschließend in den Wasserkreislauf zurückgeführt. Wasser kann auf zwei Arten in den Wasserkreislauf zurückgeführt werden, mittels Evapotranspiration oder Bodenversickerung. In beiden Fällen wird ein offener, nicht versiegelter Boden benötigt.

Der Vorteil der Evapotranspiration ist, dass Wasser zuerst den Pflanzen zur Verfügung steht und diese dann die Umgebungstemperatur mittels Verdunstung kühlen. Dies ist besonders relevant für eine wachsende Urbanisierung. Insbesondere während der warmen Sommermonate ist das Wohlbefinden der Stadtbewohner durch länger anhaltende Hitze- und Trockenperioden und den damit einhergehenden "Urban Heat Island Effekt" stark beeinträchtigt (IPCC, 2018: 240 ff.).

Der "Urban Heat Island Effekt" wird durch einen hohen Versiegelungsgrad und wärmereflektierende Fassaden verstärkt. Zusätzlich schützt eine starke grüne Infrastruktur vor den Folgeschäden von Starkregenereignissen wie Überschwemmungen und erhöhter Schmutzstofffracht (Kuttler 2011: 6 ff.).

Definition des Verdunstungsbeets

Das Verdunstungsbeet ist ein baulich gefasstes Beet. Dieses hält Wasser zurück, welches nicht versickert, sondern mittels Evapotranspiration in den Wasserkreislauf zurückgeführt wird. Um die Verdunstung zu steigern, ist das Verdunstungsbeet mit entsprechenden Pflanzen zu versehen.

Zudem sollte ein Wasserzulauf das Beet stetig mit Wasser versorgen und ein Wasserüberlauf das Wasser bei einem Starkregenereignis in einen weiteren Retentionsraum führen (BlueGreen Streets –Teil B 2022: 30 ff.).

Im Vergleich sind das Tiefbeet oder die Versickerungsmulde nicht baulich gefasst und daher darauf ausgelegt, dass Wasser zu versickern, statt es zu verdunsten.

Bauweisen, Potenziale und konzeptionelle Weiterentwicklung

Im Rahmen der Masterarbeit (Haug 2023) wurden bisherige Systeme, Bauweisen und Forschungsergebnisse verglichen und daran anknüpfend Weiterentwicklungen vorgenommen. Im Fokus dieser Weiterentwicklung stehen grundlegende Profile des Verdunstungsbeets, sowie Wasserzuläufe, Wasserüberläufe, Substratschemas und eine Pflanzenauswahl, die nach dem Pflanzschemata (s. unten) in urbanen Anwendungsbereichen eingesetzt werden können.

Grundlegende Profile und ihre Dimensionierung

Die grundlegenden Profile für Verdunstungsbeete sind das Quader-, das Dreieck- und das Trapez-Profil. Da sich das Trapez-Profil nach unten trapezförmig öffnet und ein Substratvolumen von 1,25 Kubikmetern besitzt, hat es das höchste Wasserspeichervermögen. Dem folgt das Quader-Profil mit einem moderaten Wasserspeichervermögen von ein Kubikmeter, gefolgt von der spitzzulaufenden Sohle des Dreieck-Profils mit nur 0,5 Kubikmetern Substratvolumen.

Um eine zuverlässige Berechnungsgrundlage der Evapotranspiration der Verdunstungsbeete zu erhalten, wurden verschiedene Verdunstungsformeln verglichen und deren durchschnittliche Werte ermittelt. Das Ergebnis herkömmlicher Verdunstungsformeln (3,35 mm/Tag) wurde dem von O. Weiss (4,7 mm/Tag) –entgegengesetzt.

An dieser Stelle ist es wichtig zu erwähnen, dass den herkömmlichen Formeln gewachsene Böden zugrunde liegen. Technische Substrate weisen ein höheres Wasserspeichervermögen auf. Der angenommene Verdunstungswert von Verdunstungsbeeten liegt bei vier Millimeter/Tag/Quadratmeter. Die genaue Berechnung ist der Masterarbeit (Haug 2023) zu entnehmen.

Pflanzenverwendung

Die Höhe der Verdunstungsrate ist entscheidend durch die geeignete Bepflanzung bestimmt, da die Pflanzen mittels Transpiration einen Großteil des anfallenden Wassers verdunsten. Die Anforderungen des Standortes für das Verdunstungsbeet sind (extrem) hoch, weil die Pflanzen sowohl Staunässe als auch Trockenheit vertragen müssen und die Bepflanzung gleichzeitig den ästhetischen Anforderungen eines urbanen Standorts gerecht werden sollte.

Für den Standort des Verdunstungsbeets wurden in der Masterarbeit (Haug 2023) die Lebensbereiche "Wasserrand 1–2" und "Freifläche 1–3" als passend ausgewertet. Die Pflanzen dieser Standorte vertragen sowohl einen feucht/nassen bis zeitweise trockenen Standort.

Dabei kann die Zusammensetzung der Lebensbereiche anteilig variieren. So kann an einem Standort mit weniger Niederschlag ein höherer Anteil von "Freifläche 1–2" verwendet werden, an einem wasserreicheren Standort ein höherer Anteil "Freifläche 3" und "Wasserrand 1–2".

Zur geeigneten Auswahl von Pflanzen wurden bestehende Pflanzlisten weiterführend analysiert. Die ausgewerteten Pflanzlisten umfassen 139 Pflanzen und können in der Masterarbeit (Haug 2023) eingesehen werden.

Das Pflanzschema für Verdunstungsbeete wurde in vier Kategorien eingeteilt: trockener, feuchter und nasser Standort, sowie in Bienen- und Insektenfreundlichkeit.

Wasserzuläufe des Verdunstungsbeets

Da Verdunstung ausreichend Wasser benötigt, braucht es für ein Verdunstungsbeet einen gut konzipierten Wasserzulauf. Im Rahmen der Arbeit (Haug 2023) wurden folgende Zuläufe entwickelt:

Zulauf A: Ein "abgedeckter Rinnenzulauf", mit Hilfe dessen das Wasser oberirdisch begehbar ist und zum Verdunstungsbeet geleitet wird (z. B. Dachwasser). Der Vorteil einer oberirdischen Wasserführung ist, dass es keiner frostfreien Verlegung der Rohre bedarf (80 cm unter GOK). Durch die Abdeckung der Rinne sind Begeh- und Befahrbarkeit trotzdem gewährleistet.

Zulauf B: Der "Oberflächenzulauf" leitet das Niederschlagswasser anliegender Flächen über das Oberflächengefälle ins Beet.

Zulauf C: "Einfassung mit Öffnungen", bei denen das Verdunstungsbeet mit einem Board als Befahrschutz tiefergelegt wird.

Zulauf D: "Einfassung mit Aussparung", die etwa ein Straßenboard oder Ähnliches ist, über welches das Wasser mit kompletter Aussparung zufließen kann.

Zulauf E: Der "unterirdische Rigolenzulauf" kann etwa Dachwasser in ein Verdunstungsbeet bringen und zusätzlich Wasser innerhalb eines Beetes verteilen. Wie oben erwähnt, ist zu beachten, dass die Rigole frostfrei zu verlegen ist. Aufgrund des für die Rigole benötigten Profilgefälles und der damit einhergehenden nötigen Länge besteht bei dieser Bauweise allerdings die Gefahr, dass das bauliche Tief zu groß wird.

Wasserüberläufe des Verdunstungsbeets

Folgen der Klimaveränderungen sind unter anderem, dass sich Niederschläge häufiger auf einzelne Starkregenereignisse im Sommer konzentrieren. Daher verteilen sich Niederschlagsmengen schlechter und treten in Starkregenspitzen auf. Um diese zu puffern, wird das Fassungsvermögen der Beete großzügiger über den Spitzenabflusswert dimensioniert und ein Wasserüberlauf eingeplant.

Überlauf A: Die "Einfassungs- oder Bordeinsparung" leitet das Wasser durch den Einlauf. Dieser fungiert gleichzeitig als Überlauf an der Randzeile der Straße zu einem Trennwasserkanal oder in eine Versickerungsmulde.

Überlauf B: Beim "unterirdischen Rigolenüberlauf" wird das Wasser in weitere Beete, angrenzende Versickerungsanlagen oder Speicherelemente geführt.

Überlauf C: In der unterirdischen Beeteinfassung befinden sich im oberen Drittel seitliche Öffnungen, über die das Wasser austritt und versickert. Damit das Wasser im unteren Bereich weiterhin gespeichert werden kann, sind im oberen Drittel Öffnungen anzubringen.

Überlauf D: Bei der "unterirdischen Wanneneinfassung" ist die "Wanne" wieder im oberen Drittel offen, so dass überschüssiges Wasser vor Ort versickern kann.

Überlauf E: Dieser Überlauf hat in der unterirdischen Beeteinfassung Öffnungen nach unten. Die Öffnungen sind kleiner als bei der Variante C und geben das Wasser dementsprechend langsamer ab.

Grundsätzlich empfiehlt es sich, überschüssiges Wasser vor Ort zu versickern oder in eine nahegelegene Versickerungsmulde zu leiten. Als Alternative ist das Einleiten in die Kanalisation zu befürworten, wenn ein Trennwassersystem vorhanden ist.

Substrataufbau für das Verdunstungsbeet

Das Substratschema soll die Funktionalität haben viel Wasser aufzunehmen, dieses in der unteren Beckenzone zu speichern und das Wasser trotz größerer Korngrößen (die ein besseres Speichervermögen haben) durch Kapillarität wieder aufsteigen zu lassen. Durch das Aufsteigen steht das Wasser den Pflanzen nachhaltig zur Verfügung und kann anschließend verdunsten.

Substratschema A: Die oberste Substratschicht wird mit einer humosen Nährstoffschicht (ca.10 cm) nachgebessert, danach folgt das Pflanzsubstrat (ca. 50 cm). Als Wasserspeicher der gesättigten Bodenzone (ca. 40 cm) wird ein Grobschlag (32–64 mm) in einem Geotextil/Filterflies verbaut.

Damit das Pflanzsubstrat nicht den Grobschlag einschlämmt, ist ein Filterflies notwendig. Um das gespeicherte Wasser über die Kapillarwirkung stetig in das Pflanzsubstrat aufsteigen zu lassen, wird ein Kapillarblock (0,5 x 0,3 cm) aus Lehm, ebenfalls in Geotextil/Filterflies mittig verbaut.

Bei einem punktuellen Wasserzufluss (Einleitung von Dachwasser o. ä.) ist zusätzlich eine Verteilerschicht (16–32 mm) zu empfehlen, so dass sich das Wasser gleichmäßig im Beet verteilen kann. Die Verteilerschicht fördert neben der Wasserverteilung auch den Gasaustausch im Boden und sollte ebenfalls im Geotextil/Filterflies verbaut werden. Zudem sollte die Verteilerschicht keinen Nullanteil in der Körnergröße haben, da sonst die Funktionalität durch Verschlämmung eingeschränkt ist.

Substratschema B: Die Bauweise beginnt mit einer nachgebesserten humosen Nährstoffschicht (ca. 10 cm). Darauf folgt eine 90 Zentimeter tiefe Pflanzsubstratschicht. Je nach Art des Wasserzuflusses kann die Verteilerschicht ebenfalls verbaut werden. In dieser Bauweise wird das Wasser im Pflanzsubstrat gespeichert, ohne einen gesonderten Grobschlag.

Da das Pflanzsubstrat einen höheren Nullanteil in der Korngrößenverteilung hat, wird zu kapillarer Steighöhe kein Kapillarblock benötigt. Prinzipiell ist die 1,5 Meter tiefe Bauweise zu empfehlen, da sie den höheren Wasserspeicher und somit das höhere Verdunstungspotenzial hat.

Urbane Anwendungsgebiete

Im Rahmen der Arbeit wurden drei Anwendungsgebiete konzipiert. Diese zeigen auf, welche Einsatzgebiete für Verdunstungsbeete im urbanen Kontext bestehen. Die entwickelten Bausteine des Verdunstungsbeets sind grundlegende Profile für Oberflächenprofile, Wasserlevel, die Pflanzenverwendung, Wasserzu- und -überläufe und Substratschemas. Diese sollen in den urbanen Anwendungsgebieten Verwendung finden.

Da die Bausteine in Varianten erarbeitet wurden, werden Empfehlungen entsprechend der Anwendungsgebiete ausgesprochen. Anhand der unterschiedlichen Flächenverfügbarkeiten und Dimensionen kann aufgezeigt werden, welche der Varianten sinnvoll zum Einsatz kommen. Alle drei Anwendungsbereiche sind entscheidend für die grün-blaue Infrastruktur der Stadt.

Anwendungsgebiet: Straßen-/Wegeräume

Das erste Anwendungsgebiet ist der Straßen- und Wegeraum. Dieser ist oft durch ein begrenztes Platzangebot für Grünflächen geprägt. Zusätzlich sind verlegte Leitungen zu berücksichtigen. Daher sollte das Verdunstungsbeet ohne Höhenprofil und Überflutungslevel gebaut werden. Wenn mehr als 2,5 Meter Platz im Querschnitt zur Verfügung stehen, kann das Verdunstungsbeet mit einem Überflutungslevel gebaut werden.

Durch die Tiefbeetbauweise wird ohne Höhenlevel mehr Wasser eingestaut als bei einem herkömmlichen Beet. Das Wasser sollte über anschließende Dach- und Wegeflächen zugeleitet werden. Je nach Bauweise des Verdunstungsbeets können entsprechende Wasserzu- und -überläufe ausgewählt werden. Die Verwendung der Pflanzen erfolgt nach dem erarbeiteten Pflanzschema. Dieses orientiert sich am durchschnittlichen Niederschlag der Region.

Anwendungsgebiet: Plätze

Bei einer Platzfläche ist davon auszugehen, dass der Querschnitt mehr Fläche bietet als im Straßen- und Wegeraum. Daher ist bei einem Querschnitt über 2,5 Meter ein Oberflächenprofil mit einem oder zwei Überflutungslevels machbar. Am Platzrand werden parallel zur Straße und zu den Häuserkanten Verdunstungsbeete ohne Überflutungslevel geplant. In der Platzmitte hingegen kann großzügiger mit einem oder zwei Überflutungslevels geplant werden.

Anwendungsgebiet Parks

Der Park als urbanes Anwendungsgebiet hat das größte Platzangebot und kann daher als Wassereinstauzone und Puffer fungieren. Durch das hohe Wasserfassungsvermögen steigt das Verdunstungspotential des Beets. Zudem kann auf natürlichere Bauweisen zurückgegriffen werden. Für die bauliche Fassung können Ton oder Montmorillonit verwendet werden. Kleingehölze sollten ebenfalls zum Einsatz kommen. Diese sollten, je nachdem wie hoch die Überflutungstoleranz ist, nicht in den tiefsten Punkten des Beets angeordnet werden. Besonders ist darauf zu achten, dass in den Wassereinstaumulden hauptsächlich Stauden des Lebensbereichs Wasserrand gepflanzt werden (s. Lebensbereiche nach Überflutungslevel).

Schlussbetrachtung

Ziel der Masterarbeit, auf der dieser Artikel basiert, war es, die Relevanz des dezentralen Regenwassermanagements für das urbane Klima aufzuzeigen. Klimaveränderungen machen es unabdingbar, an naturnahen Lösungen zu arbeiten, um die städtische Wasserbilanz zu verbessern.

Ein großer Bestandteil der natürlichen Wasserbilanz ist die Verdunstung. Mit der Intention, einen Beitrag zur klimaresilienten Stadt, zum Hochwasserschutz und zur Biodiversität zu leisten sowie dem "Urban Heat Island Effekt" entgegenzuwirken, wurden im Rahmen dieser Arbeit das Potential von Verdunstungsbeeten ermittelt sowie konzeptionelle und bautechnische Weiterentwicklungen vorgenommen.

Grünflächen in Straßen- und Wegeräumen gehören inzwischen häufig zum Standard. Jedoch werden diese überwiegend so gebaut, dass sie Niederschlagswasser nicht aufnehmen. Durch erhöhte Borde und nicht dem Regenwassermanagement entsprechende Gefälle kann Niederschlag nicht in Grünflächen gelangen und wird stattdessen über Kanäle "entwässert".

Zum Thema Verdunstungsbeete besteht weiterhin Forschungsbedarf. Ein möglicher Ansatz wäre die praktische Umsetzung eines wissenschaftlich begleiteten Monitorings. Zu den Vorgängen, die beobachtet werden müssen, gehören die Entwicklung der einzelnen Pflanzenarten und die Stressverträglichkeit der Gesamtpflanzung unter den wechselfeuchten Standortbedingungen. Dafür sollten mehrere Beete an unterschiedlichen Standorten entsprechend der erarbeiteten Schemata gebaut und die Entwicklung beobachtet werden.

Außerdem muss eruiert werden, ob das eingeleitete Niederschlagswasser durch schwankende Zyklen im Sommer und Winter ausreichend für die Funktionalität des Beets ist. Darüber hinaus müssen die Mengen des zugeleiteten Wassers gemessen und gleichzeitig mit dem Wasserstand des Beets verglichen werden. So kann die Evapotranspirationsrate, die in der Theorie ermittelt wurde, überprüft werden.

Quellen:

• BlueGreenStreets (Hrsg.) (2022): BlueGreenStreets Toolbox – Teil B. Multifunktionale Straßenraumgestaltung urbaner Quartiere, März 2022, Hamburg. Erstellt im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Stadtquartiere für die Zukunft“ (RES:Z). [abgerufen am 20.09.2023].
  
• Haug A. (2023): „Verdunstungsbeete im urbanen Kontext Bauweisen, Potenziale und konzeptionelle Weiterentwicklung“. Masterarbeit. HfWU Nürtingen [abgerufen am 08.09.2023]
  
• IPCC (2018): „Global Warming of 1.5 Grad Celsius. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5 Grad Celsius above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty“ [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J.B.R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M.I. Gomis, E. onnoy, T. Maycock, M. Tignor, and T. Waterfield (eds.)].
  
• Kuttler, W. (2011): Klimawandel im urbanen Bereich, Teil 1, Wirkungen Climate change in urban areas, Part 1, Effects.
  
  Online: chrome extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj
  https://enveurope.springeropen.com/counter/pdf/10.118
  6/2190-4715-23-11.pdf. [abgerufen am 17.11.2022].
  
• Weiss, O. (2021): „VON EVAPOTRANSPIRATION BIS TECHNISCHE SUBSTRATE – ALTERNATIVE LÖSUNGEN FÜR NACHHALTIGES REGENWASSERMANAGEMENT“. Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Bodenkultur (Dr.nat.techn.) Betreuung: Pitha, Universität für Bodenkultur Wien, Department für Bautechnik und Naturgefahren, Institut für Ingenieurbiologie und Landschaftsbau.